Tordierbare Lichtwellenleitungen für die Qualitätsüberwachung (Vision: 4-A51)

Daten sicher übertragen

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Haltbarkeit, hohe Übertragungsraten und eine ausgezeichnete EMV-Sicherheit – das sind nur einige der Vorteile von Glasfasern bzw. Lichtwellenleitern. Auch in Energieketten sind sie herkömmlichen Kupferleitungen überlegen. Dies gilt jetzt auch für tordierbare Lichtwellenleiter der Kölner igus, die speziell für schnelle, mehrdimensionale Bewegungen von Robotern entwickelt wurden. Sie eröffnen im Rahmen der Qualitätssicherung mittels Bildverarbeitung völlig neue Einsatzmöglichkeiten.

DER AUTOR Dipl.-Ing. (FH) Rainer Rössel ist Leiter Marketing und Entwicklung für Chainflex-Leitungen bei der igus GmbH in Köln ( www.igus.de/vision2010)

Das Unternehmen beschäftigt sich bereits seit mehr als 15 Jahren mit dem Thema der Lichtwellenleiter in dauerbewegten Systemen. Die technologische Entwicklung sowie die guten Erfahrungen der Anwender mit klassischen Feldbusleitungen führten zu einer immer stärkeren Nachfrage nach vergleichbaren Leitungen für Hochgeschwindigkeits-Bussysteme. Igus bietet heute eine breite Palette von Kabeln und Leitungstypen für nahezu alle Anforderungen an.
Busleitungen für Visualisierungssysteme
Mit steigender Auflösung und höheren Abtastfrequenzen digitaler Visualisierungssysteme wachsen zwangsläufig auch die zu übertragenden Datenmengen rasant an. Hier kommen schnelle Bussysteme zum Einsatz. Typische Vertreter sind hier zum Beispiel Firewire, USB sowie GigE oder auch CameraLink, für die jeweils entsprechende Leitungen konzipiert worden sind.
Bei der Entwicklung hat das Unternehmen das Hauptaugenmerk auf eine mechanisch stabile Leitungskonstruktion gelegt, um die kapazitiven und induktiven, also die elektrisch wichtigen Eigenschaften über eine hohe Zyklenzahl zu gewährleisten. Auch beim mechanischen Aufbau der Schirme ist durch die Werkstoffauswahl und spezielle Fertigungsverfahren auf eine lange Lebensdauer hingearbeitet worden. Im industriellen Umfeld spielen aber nicht nur die elektrischen und mechanischen Eigenschaften eine Rolle, sondern auch die Beständigkeit gegen unterschiedliche Medien wie beispielsweise Öle oder Kühlschmierstoffe. Dabei hat der bewährte TPE-Außenmantel seine Tauglichkeit bereits in unzähligen Anwendungen bewiesen.
Alle zur Verfügung stehenden Leitungen werden im firmeneigenen Technikum umfassenden Tests unterzogen, um valide Aussagen treffen zu können. Jährlich sind das über 600 Leitungstests. In einem Beispiel wurden etwa verschiedene Industriekameras auf einem Linearmotor mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s, einer Beschleunigung von 5 m/s2 und einem Weg von 600 mm verfahren, während in den verwendeten Energieketten ständig die Busleitungen bewegt wurden. Trotz der langen Leitungslängen von bis zu 10 m besonders bei USB und Firewire konnte selbst nach drei bis sechs Millionen Hüben keine Beeinträchtigung der Bildqualität festgestellt werden. Die Industrietauglichkeit der Hochgeschwindigkeits-Busleitungen wurde damit eindeutig bewiesen.
Glasfaser statt Kupfer
Anwender von Datenübertragungssystemen mit hohen Datenraten oder langen Übertragungslängen oder auch starker EMV-Belastung setzen schon lange auf Lichtwellenleitungen. Beispiel Kranbau: Bei einem Ship-to-Shore-Kran in Asien fährt die Katze bei einem Verfahrweg von 500 m mit einer Geschwindigkeit von 250 m/min und verwendet dabei eine Rollen-Energiekette zur effektiven Energie- und Datenübertragung. Für die Datenübertragung entschied sich der Kranbauer für Chainflex-Glasfaserleitungen von igus. Mit dieser Lösung wählte er die sicherste Art der Datenübertragung – ohne EMV-Störungen – und vermied das Risiko möglicher Datenverluste. Die Container können im Hafen sicher be- und entladen werden.
Vielen Anwendern in der Industrie ist nicht bewusst, dass die Eigenschaften, die generell für LWL-Leitungen gelten, beim Einsatz speziell in Energieketten noch weitere Vorteile bieten. Auf Kupfer basierende Datenübertragungssysteme zeichnen sich meist durch zwei grundsätzliche Nachteile aus. Die maximalen Übertragungslängen werden durch die Übertragungssysteme stark limitiert – je nach System und Übertragungsfrequenz zwischen 5 und 50 m Leitungslänge. Die auf Kupfer basierenden Leitungen für den Einsatz in bewegten Energieführungen weisen nach einiger Zeit meist eine Erhöhung der Dämpfungswerte bei hohen Zyklenzahlen auf, die sich wiederum negativ auf die maximale Reichweite auswirken.
Annähernd zweimal um die Erde
Ganz anders bei den Datenübertragungs- bzw. bussystemunabhängigen Lichtwellenleitungen. Sie bieten neben dem Vorteil, dass sie für jedes Übertragungs- bzw. Bussystem geeignet sind – sofern die richtigen Umsetzer genutzt werden – nachfolgende Eigenschaften. Die Übertragungslängen werden kaum durch die verwendeten Übertragungssysteme limitiert und liegen, abhängig vom LWL-Typ, bei mehreren hundert Metern. Die Dämpfungserhöhungen sind bei Chainflex-LWL-Leitungen selbst bei sehr hohen Zyklenzahlen in Energieketten so niedrig, dass kaum messbare Werte feststellbar sind und der größte Teil der Dämpfung im Bereich der Stecker zu finden ist. Dabei wurde die Fragestellung, wie stark sich das Dämpfungsverhalten verändert, in einer Versuchsanordnung im igus-Technikum untersucht. Unter Beachtung, dass ST-Stecker eine mittlere Einfügedämpfung von 0,3 dB und eine maximale von 0,5 dB haben, ist der Dämpfungsanstieg von ca. 0,1 bis 0,15 dB nach über 30 Mio. Bewegungen in der Kette vernachlässigbar. Die Leitung hat also im Test über 76 000 km Verfahrweg zurückgelegt. Die betrachtete Lichtwellenlänge liegt bei 850 mm.
Tordierbare Lichtwellenleiter für 3D-Bewegungen
Und die Anforderungen an die bewegte visualisierte Qualitätsüberwachung steigen weiter. Überproportional häufig steigt dabei die Forderung nach Leitungen, die auch auf Robotern eingesetzt werden können und dort auf Dauer sicher Bewegungen im dreidimensionalen Raum ermöglichen. Um den Forderungen nach hoher Datenmenge, langer Leitungslänge bei gleichzeitig hoher Torsionsstabilität gerecht zu werden, hat igus sein Chainflex-Leitungsprogramm um eine CF-Robot-LWL-Leitung ergänzt. Die äußerst robuste Leitung hat einen Zwei-Faser-Gradienten-Lichtwellenleiter, ist öl-, bioöl- und UV-beständig sowie kälteflexibel. Konstruktiv ist sie so aufgebaut, dass die LWL-Adern mit hochzugfesten Aramid-Fasern und Dämpfungselementen stabil um einen GFK-Kern verseilt sind. Diese Dämpfungselemente und eine abgestimmte PTFE-Gleitfolie schützen die Fasern vor den Torsionskräften. Der TPE-Außenmantel sichert dabei die Gesamtkonstruktion ab. Diese aufwändige Kombination stellt sicher, dass die Leitung nicht brechen kann.
8,3 Millionen Doppelhübe
Durch die Verwendung von geeigneten Kameras und LWL-Umsetzern kann jedes Bussystem übertragen werden. Die torsionsfreundlichen Isolierwerkstoffe, die Dämpfungs- und Gleitelemente sowie der mit Druck extrudierte, hoch abriebfeste TPE-Außenmantel schirmen vor allen mechanischen Einflüssen ab. Dadurch sind die Lichtwellenleiter besonders für Bewegungen im 3D-Bereich geeignet. Auch dazu führt igus derzeit die entsprechenden Nachweise durch. Auf einem 1 m langen Testaufbau im firmeneigenen Technikum wurden mit der Chainflex-LWL-Leitung bereits über 8,3 Mio. Doppelhübe realisiert, ohne dass sich die übertragungstechnischen Eigenschaften verändert haben.
Schnittstellen zu Kameras
Lichtwellenleiter bieten dem Betreiber eine Reihe von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Dazu zählen die höhere Datensicherheit sowie Übertragungslängen von mehreren 100 Meter, höhere Datenmengen aufgrund geringer Dämpfungswerte sowie ein maximaler EMV-Schutz für die übertragenen Daten. Hinzu kommt die Gewissheit einer zukunftssicheren Installation, da bei neuen Bussystemen keine Austausch der Leitungen erforderlich ist. Desweiteren ist der höhere mechanische Schutz zu nennen. Die LWL-Fasern sind speziell für mechanische Dauerbewegung konzipiert, die Mantelwerkstoffe sind hoch abriebfest und chemisch beständig. Überdies ist der Aufbau der Kettenkabel erfolgreich getestet bei 30 Mio. Zyklen ohne signifikante Dämpfungserhöhungen. Bei Igus geht man davon aus, dass in Visualisierungssystemen für Roboter perspektivisch ausschließlich Lichtwellenleiter zum Einsatz kommen, die störanfällige Kupferleitungen ersetzen. Deshalb sollten Kamerahersteller verstärkt daran arbeiten, die entsprechenden Schnittstellen zur Verfügung zu stellen. Hier spricht alles für tordierbare Lichtwellenleiter, zumal diese – aufgrund ihres kleinen Radius – 50 % weniger Bauraum benötigen.

PRAXIS PLUS
Die CF-Robot-LWL-Leitung ist mit der Fasertype 62,5/125 µm oder 50/125 µm lieferbar und bei Verwendung geeigneter Umsetzer für fast alle Hochgeschwindigkeitsbusse geeignet. Im breiten Einsatzfeld von Torsionsanwendungen mit Energieketten spielt hier zum Beispiel die Vi- sion-Technologie eine wichtige Rolle. Denn die Forderungen an die bewegte Qualitätsüberwachung werden immer höher. Mit der LWL-Leitung liegt jetzt eine industrietaugliche Lösung zur Bildübertragung für GigE, Firewire IEEE1394 a/b und USB vor. LWL-Leitungen können als Meterware oder auch fertig konfektioniert bezogen werden.

INFO-TIPP
Mit der tordierbaren LWL-Leitung liegt jetzt eine industrietaugliche Lösung zur Bildübertragung für GigE, Firewire IEEE1394 a/b und USB vor. USB 2.0 ist in den vergangenen Jahren jedoch zunehmend zum Engpass geworden, der mit USB 3.0 beseitigt werden soll:
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